Przemienniki częstotliwości i ich wpływ na jakość energii elektrycznej w przedsiębiorstwie wod.-kan.

Jakość energii elektrycznej Prawo, gdzie określona jest JEE Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego Dz. U. Nr 93, poz. 623, Rozdz. 10, Parametry jakościowe energii elektrycznej i standardy jakościowe obsługi odbiorców oraz sposób załatwiania reklamacji. Umowy sprzedaży energii elektrycznej (przez spółki dystrybucyjne zawierane z odbiorcami) Instrukcje Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej, zatwierdza URE 2

Jakość energii elektrycznej Wytyczne dla urządzeń celem spełnienia wymogów JEE PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych PN-EN 61000-2-2 - Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Środowisko - Poziomy kompatybilności zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości i sygnałów przesyłanych w publicznych sieciach zasilających niskiego napięcia PN-EN-61000-4-30 - Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) Metody pomiaru jakości energii elektrycznej PN-EN 61000-2-4 - Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Środowisko - Poziomy kompatybilności dotyczące zaburzeń przewodzonych małej częstotliwości w sieciach zakładów przemysłowych PN-EN 61000-3-2 - Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) Dopuszczalne poziomy - Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika 16A); w 1999 roku wprowadzono uzupełnienia do wymienionej normy: A1, A12, A2 EN 61000-3-4 - Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Dopuszczalne poziomy - Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu w niskonapięciowych systemach zasilania (fazowy prąd zasilający odbiornika 16 A) 3

Jakość energii elektrycznej Rozporządzenia Ministerstwa Gospodarki Wg rozporządzenia jakość energii definiuje: Wartość średnia częstotliwości (mierzonej przez 10 sek. w punkcie przyłączenia) Wartość skuteczna napięcia zasilającego (w każdym tygodniu 95% ze zbioru 10- minutowych średnich wartości skutecznym powinno mieścić się w podanym przedziale odchyleń) Wskaźnik długotrwałego migotania światła spowodowanego wahaniami napięcia (nie powinien być większy od przez 95% czasu każdego tygodnia) W ciągu każdego tygodnia 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych: a) składowej symetrycznej kolejności przeciwnej napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale wartości składowej zgodnej b) dla każdej harmonicznej napięcia zasilającego powinno być mniejsze lub równe wartościom określonym w tabeli Współczynnik odkształcenia wyższymi harmonicznymi napięcia zasilającego THD.. 4

Jakość energii elektrycznej Co jest przyczyną pogarszania parametrów energii el.? Podstawową przyczyną jest stale rosnący udział odbiorników energii o charakterystykach nieliniowych. Wśród nich można znaleźć: Oprawy oświetleniowe z fluorescencyjnymi lub metalohalogenkowymi źródłami światła Oprawy oświetleniowe ze źródłami światła LED Komputery UPS-y Przemienniki częstotliwości Odbiorniki te, pobierają z sieci prąd odkształcony, który poprzez spadki napięcia powoduje zakłócenie innych urządzeń w instalacji zakładowej lub/i instalacji dostawcy energii. Miarą odkształceń prądu lub napięcia są ich harmoniczne. 5

Jakość energii elektrycznej Harmoniczne Zakład energetyczny typowo dostarcza gładkie napięcie sinusoidalne ale nieliniowe odbiorniki pobierając nieliniowy prąd odkształcają tym samym napięcia w instalacji z dalszymi konsekwencjami 6

Jakość energii elektrycznej Harmoniczne w instalacji zakładu Obecność harmonicznych w instalacji elektrycznej niesie dalekosiężne skutki, dla źródeł zasilania (transformatory rozdzielcze, agregaty prądotwórcze) wzrost strat i mniejsza sprawność, podniesiona temperatura i przyspieszone starzenie, dla agregatów- mniejsza obciążalność wysokoczułego sprzętu pomiarowego i diagnostycznego błędne pomiary, możliwe awarie systemów komputerowych, również z podtrzymaniem awaryjnym awaryjne wyłączenia, problemy z zachowaniem ciągłości pracy silników elektrycznych pogorszenie sprawności i większe zużycie energii, niższa jakość regulacji, przyspieszone zużycie instalacji elektrycznej większe obciążenie instalacji, dodatkowe straty 7

Zakład energetyczny Harmoniczne mogą być traktowane jako moc, która nie wykonuje użytecznej pracy ale wymaga dodatkowych zdolności wytwarzania i dystrybucji Wraz ze wzrostem liczby silników sterowanych z przemienników częstotliwości i innych nieliniowych urządzeń, zakłady energetyczne dostarczają wyższy procent mocy harmonicznej bez porównywalnego wzrostu przychodów Niektóre zakłady wprowadziły rozliczanie opłat za zniekształcenia harmoniczne 8

Użytkownicy Chęć obniżenia wydatków za energię Chęć ochrony instalacji elektrycznej Poszukiwanie sposobów na wydłużenie czasu pracy i zwiększenie zysków Konieczność unikania zakłóceń układów automatyki i pomiarowych Potrzeba eliminacji problemów przy pracy awaryjnej z agregatów Konieczność ochrony wrażliwego sprzętu elektronicznego 9

Projektanci Prawidłowy dobór elementów instalacji Transformator, źródło awaryjnego zasilania (agregat) Kable Dobór środków celem redukcji harmonicznych Odpowiednie przemienniki Dodatkowe urządzenia (aktywne kompensatory harmonicznych) Harmoniczne doprowadzają do zwiększenia kosztów projektowanych instalacji. 10

Przedsiębiorstwo wod-kan Rodzaje odbiorów Przykładowy udział poszczególnych instalacji w łącznym bilansie mocy: Nazwa Moc zainstalowana [kw] Część technologiczna 698,1 536,0 Potrzeby własne (oświetlenie, gniazda instalacji bytowych, budynek garażowy) 172,0 138,0 Wentylacja, biofiltry 22,0 19,8 Pompownia deszczu 12,0 12,0 Oświetlenie zewn. 3,0 3,0 Łącznie 906 709 Moc zapotrzebowana [kw] Przemienniki w części technologicznej, łącznie 124 kw Rosnący udział mocy przemienników częstotliwości w instalacjach zakładów wod-kan (m.in. wskutek rozporządzenia WE 640/2009) oraz ich budowa wymagają od projektantów oraz użytkowników świadomości w stosowaniu 11

Jakość energii elektrycznej Ograniczenie harmonicznych Podstawowe sposoby obniżania instalacji harmonicznych w instalacji zakładu 1. Zapobieganie Filtry aktywne 2. Eliminacja już istniejących, poprzez m.in.. Filtry pasywne Prostowniki 12-to pulsowe Napędy z prostownikami aktywnymi Dobór metody powinien być uzależniony m.in. od udziału mocy źródła zakłócającego w mocy odbiorów instalacji, którą rozpatrujemy. W przypadku małej mocy urządzeń wprowadzających harmoniczne może nie być potrzeby zastosowanie jakichkolwiek metod ograniczania harmonicznych. 12

Przemiennik częstotliwości Przemiennik 6-cio pulsowy bez dławika: Harmoniczne h 5 = 79.5% h 7 = 60.1% h 11 = 18.2% h 13 = 10.0% h 17 = 7.3% h 19 = 6.0% h 23 = 4.1% h 25 = 1.2% Prostownik diodowy w przemienniku produkuje harmoniczne zgodnie z zależnością: h = nk +/- 1, gdzie h to produkowana harmoniczna, n to ilość diod k is jest liczbą całkowitą. Uwaga na wielkość harmonicznych niższego rzędu. 13

Przemiennik częstotliwości z dławikiem Prostownik 6-cio pulsowy z dławikiem 3% Harmoniczne h 5 = 42.5% h 7 = 29.38% h 11 = 6.10% h 13 = 4.06% h 17 = 2.26% h 19 = 1.77% h 23 = 1.12% h 25 = 0.86% Prostownik diodowy w przemienniku produkuje harmoniczne zgodnie z zależnością: h = nk +/- 1, gdzie h to produkowana harmoniczna, n to ilość diod k is jest liczbą całkowitą. Zawartość harmonicznych wynosi w przybliżeniu 50% tego co dla przemiennika bez dławika. 50 40 30 20 10 0 Harmonic Distribution h5 h7 h11 h13 h17 h19 h23 h25 14

Przemiennik częstotliwości prostownikiem 12-to pulsowym Typowy przebieg przemiennika 12-pulsowego: Harmoniczne h 5 = 5.1% h 7 = 8.99% h 11 = 5.60% h 13 = 5.20% h 17 = 3.21% h 19 = 2.96% h 23 =.87% h 25 = 0.73% Zauważ, że harmoniczne poniżej 11 harmonicznej są znacznie złagodzone, ale całkowity I THD ciągle przekracza 10% głównie ze względu na harmoniczną 11 i 13. To nie jest w pełni czysta moc, ale może być wystarczająca czysta dla całego systemu aby spełnił w wielu wypadkach wymagania IEEE-519. 50 40 30 20 10 0 Harmonic Distribution h5 h7 h11 h13 h17 h19 h23 h25 15

Podsumowanie W większości przypadków producenci przemienników w celu ograniczenia zakłóceń wyposażają przemienniki w wewnętrzne filtry. W przypadku kiedy udział mocy przemienników w całkowitej mocy jest niewielki przeważnie nie trzeba podejmować dodatkowych działań. Decyzja o doborze zabezpieczeń przed harmonicznymi powinna zapadać na etapie projektu szczególnie w sytuacjach, kiedy udział przemienników w całkowitej mocy zainstalowanej jest znaczący. 16